智能绿植灌溉电动球阀系统设计概述

杨鹏飞

摘 要 我国是幅员辽阔的大国，东西部气候相差特别大，西部特别是西北地区常年干旱雨水不足，城市建设的绿植成活率很低，大大影响西北部城市居住条件。目前，很多地区仍依靠“人工模式”来手工启停泵、阀。为此，设计一套智能化的电动球阀控制系统，不仅能按照綠植的生长需求，还能解决远程监控球阀、方便操作等问题，同时还将更加有利于节水节电，具有较大的社会意义和实用推广价值。

关键词 智能绿植灌溉，电动球阀，系统设计

1 电动球阀的多模式控制要求

①为了方便用户进行控制，实现人机交互，该控制系统需支持球阀的手动与自动两种控制方式，加装手轮机构即可实现手动。在自动方式下，需要支持就地与远程控制两种模式。管理员就地通过观察和设置球阀或者手机上网实现球阀的远程监测。②为了达到智能化的效果，在每块绿化设置的就地控制装置需要能够实时反映当前绿植所处的生长环境，还能根据绿植的生长需求，对球阀开度进行智能化的控制，从而满足绿植对土壤湿度的需求[1]。

2 球阀控制系统设计思路

为了满足上述球阀的控制要求，本系统主要采用基于无线宽带通信和以太网的分布式结构。在中心控制站和现场监控站之间形成5G网络全覆盖，在现场监控站与就地控制柜之间采用RS-485通信方式实现数据交换。其中，中心控制站主要实现远程球阀的状态监测、绿植土壤参数、球阀远程控制、数据保存及相关信息管理工作;现场监控站主要是针对多组球阀进行自动控制以及状态指示等;现场控制柜主要针对现场单个电动球阀进行就地启停智能控制;手机5G模块主要支持管理员手机上网启停球阀以及对绿植的状态监测。

3 球阀现场单片机模糊控制

（1）球阀模糊控制的原理。由于电动球阀的动作和土壤湿度检测具有一定的滞后性。因此其控制模型很难用精确的数学表达式来描述，采用标准的PID也很难达到预期的绿植对土壤湿度的要求。由于模糊控制不依赖于系统模型，鲁棒性好，所以将这种控制方法引入智能节水灌溉用球阀控制系统中，不但能起到节水的效果，而且还能通过对绿植进行合理的灌溉，更有利于绿植的生长发育，达到存活率高的目的。所谓球阀的模糊控制，即对土壤湿度进行采集，经A/D转化后，利用模糊控制器进行模糊化度量、识别，然后利用专家知识，结合绿植的生长需求，生成模糊规则推理，从而形成模糊决策，然后经过反模糊化输出精确的球阀开度，达到智能节水灌溉的目的。

3.2 球阀模糊控制系统实现

①参数模糊化。这里选用了系统检测的土壤实际湿度T与土壤湿度给定值Td的误差以及误差变化率作为节水灌溉用球阀模糊控制系统的输入变量。根据绿植生长期的较佳土壤湿度需求，经过量化因子量化后，选择确定其ΔT、ΔET模糊论域分别为[-1，1]、[-0.2，0.2]，并将其都定义为5个等级，分别为{负大，负小，零，正小，正大}，分别对应于{NB，NS，ZO，PS，PB}，其隶属度函数均选择高斯型。把阀门开度作为模糊控制器的输出变量，论域定义为[0，90]（由于阀门全开需90s）;设定5个模糊子集分别为{较小，小，适中，大，较大}，隶属度函数取三角形。②模糊控制软件实现流程。球阀的就地控制主要采用单片机为核心，通过利用外置的拨码开关进行参数设置。每块绿植基地选用5只SWR-3型土壤水分传感器作为土壤湿度采集器，借助于单片机内置的A/D转换通道进行土壤湿度的采集与模数转换，从而通过判断当前控制柜的工作模式来进行参数设定，实现自动模糊控制或手工启停控制，并定时进行参数显示刷新。

4 球阀组触摸屏远程监控

①球阀用单片机控制装置通信协议。球阀用单片机控制装置提供了RS-232以及RS-485两种通信接口模式。由于在现场监控站是针对某一片城市绿化统一进行监控，因此在这个监控中心将涉及多个单片机球阀控制装置数据上传与下发的问题。S7-200系列的PLC支持自由口通信模式，实现PLC与多个单片机之间的数据通信，然后利用PLC与触摸屏之间的以太网通信实现多个城市绿化的球阀远程控制以及状态监测。这样，不仅降低了系统开发成本，而且应用方便。开发的单片机球阀控制装置支持ASCII码字符格式进行信号传输，其通信的协议为：<起始符（1字节ASCII码）、地址（2字节ASCII码）、数据长度（2字节ASCII码）、命令或状态（4字节ASCII码）、CRC校验（（4字节ASCII码）>结束符（1字节ASCII码）），支持进行状态查询以及开关命令发送。比如，PLC若发送<0103020000B844>，则代表PLC需要查询1#球阀当前的状态;当单片机控制装置接收到此信息后，将返回一串信息，表明球阀是“正在开”、“正在关”、“开故障”、“关故障”、“开好”、“关好”等状态。PLC若发送<0103020100B9D4>，则代表PLC远程关闭1#球阀，单片机控制装置接收到此信息后将立即动作。②球阀组远程群控系统设计。当PLC与就地的球阀控制柜之间能够进行数据通信后，利用触摸屏TPC7062K作为现场监控站的球阀监控HMI，通过CP243-1以太网模块实现PLC与HMI之间的数据通信，采用ModbusTCP/IP协议实现HMI与手机5G模块或上位计算机之间的信息交互，从而达到远程监控球阀的目的。

5 系统在宁夏吴忠的应用

将设计好的球阀多模式监控系统应用于吴忠市城市绿化灌溉时发现，该系统目前运行稳定可靠，球阀控制方式多样灵活，支持手机、监控站触摸屏监控以及就地的智能自动控制以及手工开关。

6 结束语

针对城市绿植灌溉用球阀手动控制的缺陷进行分析研究，发现对球阀控制进行智能化的设计开发将有利于节约人力、物力以及财力，同时还有利于绿植的生长和成活率高。为此，提出采用PLC、触摸屏以及手机模块等设备，利用多种工业通信模式实现了单个球阀的就地手自动控制、片区现场工作站的集中监控以及网上城市绿化示范区的球阀工作状态监控等智能化的控制模式。

参考文献

[1] 官平，谢守勇，戴星，等.基于PLC的灌溉控制系统设计[J].节水灌溉，2006（6）：68-69，71.